JP2516292B2 - Atomic force microscope - Google Patents

Atomic force microscope

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JP2516292B2
JP2516292B2 JP3238906A JP23890691A JP2516292B2 JP 2516292 B2 JP2516292 B2 JP 2516292B2 JP 3238906 A JP3238906 A JP 3238906A JP 23890691 A JP23890691 A JP 23890691A JP 2516292 B2 JP2516292 B2 JP 2516292B2
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    • G01Q20/02Monitoring the movement or position of the probe by optical means
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B82Y35/00Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S977/84Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
    • Y10S977/849Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
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Abstract

An atomic force microscope includes a tip (12) mounted on a micromachined cantilever (10). As the tip scans a surface (24) to be investigated, interatomic forces between the tip and the surface induce displacement of the tip. A laser beam is transmitted to and reflected from the cantilever for measuring the cantilever orientation. In a preferred embodiment the laser beam has an elliptical shape. The reflected laser beam is detected with a position-sensitive detector (22), preferably a bicell. The output of the bicell is provided to a computer for processing of the data for providing a topographical image of the surface with atomic resolution. <IMAGE>

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は原子間力顕微鏡法、詳細
にいえば、原子分解能を達成するための微細加工カンチ
レバ・ビームを用いる原子間力顕微鏡法に関する。さら
に、原子間力顕微鏡は真空雰囲気、空気雰囲気、または
液体雰囲気中で作動して、大表面積の走査を行い、操作
を改善するためにコモン・モード除去を提供することが
できる。
FIELD OF THE INVENTION This invention relates to atomic force microscopy, and more particularly to atomic force microscopy using microfabricated cantilever beams to achieve atomic resolution. In addition, atomic force microscopes can operate in vacuum, air, or liquid atmospheres to perform large surface area scans and provide common mode rejection for improved operation.

【0002】[0002]

【従来の技術】原子間力顕微鏡法は鋭利なスタイラスな
いしチップと調査対象の表面の間の力を検知するという
原理に基づいている。原子間力はカンチレバ・ビームの
端部に取り付けられたスタイラスの変位を含んでいる。
その最初の実施形態においては、トンネル接合を使用し
て、導電性のカンチレバ・ビームに取り付けられたスタ
イラスの運動を検出していた。その後、光学的干渉を使
用して、カンチレバ・ビームのふれを検出するようにな
った。
Atomic force microscopy is based on the principle of detecting the force between a sharp stylus or tip and the surface under investigation. Atomic forces include displacement of a stylus attached to the end of a cantilever beam.
In its first embodiment, a tunnel junction was used to detect the movement of a stylus attached to a conductive cantilever beam. Later, optical interference was used to detect cantilever beam runout.

【0003】ビーニッヒ(Bennig)他が「フィジカル・
レビュー・レター(Phys. Rev. Lett.)」、vol.5
6、No.9、1986年3月、pp.930−933
で述べているように、鋭利にとがらせたチップをスプリ
ング状のカンチレバ・ビームに取り付けて、調査対象の
表面の断面形状を走査する。チップの頂点における原子
と表面の原子との間に生じる引力または斥力が、カンチ
レバ・ビームの微少な振れをもたらす。この振れをトン
ネル型顕微鏡によって測定する。すなわち、導電性トン
ネル型チップがカンチレバ・ビーム背面から離隔したト
ンネル内に配置され、トンネル電流の変動がビームの振
れを示す。チップと調査対象の表面の間に生じる力は、
測定されたビームの振れ及びカンチレバ・ビームの特性
によって決定される。
Bennig et al.
Review Letter (Phys. Rev. Lett.) ”, Vol. 5
6, No. 9, March 1986, pp. 930-933
A sharpened tip is attached to a spring-shaped cantilever beam, as described in, to scan the cross-sectional shape of the surface under investigation. The attractive or repulsive force created between the atoms at the apex of the tip and the atoms on the surface results in a small wobble of the cantilever beam. This shake is measured by a tunnel microscope. That is, the conductive tunnel type chip is arranged in the tunnel separated from the back surface of the cantilever beam, and the fluctuation of the tunnel current indicates the deflection of the beam. The force generated between the tip and the surface under investigation is
It is determined by the measured beam deflection and the characteristics of the cantilever beam.

【0004】G・マクリーランド(McClelland)他の
「原子間力顕微鏡法:一般原理及び新しい実施形態(At
omic Force Microscopy: General Principles and a Ne
w Implementation)」、Rev. Progr. Quart. Non-dest
r. Eval,、vol.6、1987年、p.1307とい
う記事、ならびにY・マーチン(Martin)他の
「原子間力顕微鏡−サブ100Åスケールにおける力の
マッピング及びプロファイリング(Atomic force micro
scope-force mapping and profiling on a sub 100Å s
cale)」、応用物理学会誌(J. Appl. Phys.)、vo
l.61、no.10、1987年5月15日、pp.
4723−4729の記事には、レーザ干渉計を使用し
て、チップの変位を測定することが記載されている。カ
ンチレバ・ビームの振れのトンネル型検出に対する光学
的検出の利点は、信頼性の向上及び実施の容易さ、ビー
ムの粗さに対する不感性、ならびに熱ドリフトに対する
低い感度である。
G. McClelland et al., "Atomic Force Microscopy: General Principles and New Embodiments (At
omic Force Microscopy: General Principles and a Ne
w Implementation) '', Rev. Progr. Quart. Non-dest
r. Eval, vol. 6, 1987, p. 1307, and Y. Martin et al., "Atomic force micro-Force Mapping and Profiling on the Sub-100Å Scale".
scope-force mapping and profiling on a sub 100Å s
cale) ”, Journal of Applied Physics (J. Appl. Phys.), vo
l. 61, no. 10, May 15, 1987, pp.
Articles 4723-4729 describe using a laser interferometer to measure tip displacement. The advantages of optical detection over tunnel-type detection of cantilever beam deflection are increased reliability and ease of implementation, insensitivity to beam roughness, and low sensitivity to thermal drift.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】原子間力顕微鏡には絶
縁体の結像及び微少力の測定についての独特な能力か
ら、研究開発及び製造環境において未来が約束されてい
る。この約束を果たすため、原子間力顕微鏡は用途の広
いものでなければならない。すなわち、真空雰囲気、空
気雰囲気または液体雰囲気中で作動できなければならな
い。しかも、信頼性良く、簡便で、かつ小型で経済的に
設計されたものでなければならない。さらに、用途によ
っては、原子分解能及び大面積を走査できる能力も付加
的な要件となる。
The atomic force microscope promises a future in the research and development and manufacturing environment because of its unique ability to image insulators and measure minute forces. To meet this promise, atomic force microscopes must be versatile. That is, it must be able to operate in a vacuum, air or liquid atmosphere. Moreover, it must be reliable, simple, compact, and economically designed. In addition, atomic resolution and the ability to scan large areas are additional requirements for some applications.

【0006】したがって、本発明の主たる目的は、光学
ビームの振れによって原子間力顕微鏡の微細加工された
カンチレバ・ビームの方向を検知することである。
Therefore, the main object of the present invention is to detect the direction of the micromachined cantilever beam of an atomic force microscope by the deflection of the optical beam.

【0007】本発明の目的は、位置検知デテクタに結合
された慣性ムーバを用いた原子間力顕微鏡を提供するこ
とである。
It is an object of the present invention to provide an atomic force microscope that uses an inertia mover coupled to a position sensitive detector.

【0008】本発明の他の目的は、光学ビーム偏向手法
を使用することと、微細加工カンチレバ・ビームを使用
することとを、光学ビーム偏向手法を実施するために光
ファイバを使用することを含めて、組み合わせる方法を
提供することである。
Another object of the invention includes using an optical beam deflection technique and using a micromachined cantilever beam, and using an optical fiber to implement the optical beam deflection technique. And to provide a method of combining.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明によれば、圧電チ
ューブを表面の走査に使用し、微細加工カンチレバ・ビ
ームをチップの支持に使用する。微細加工カンチレバ・
ビームの方向は、レーザ・ビームをカンチレバ・ビーム
の背面で反射させ、反射されたレーザ・ビームを位置感
知デテクタ、好ましくはバイセルによって検出すること
によって検知される。レーザ・ビーム源は可視範囲で作
動する単一モード・ダイオード・レーザであることが好
ましいが、必ずしもこれである必要はない。レーザ出力
は単一モード光ファイバに結合され、光ファイバの出力
はカンチレバ・ビームの背面に合焦される。チップがカ
ンチレバの端部から延びている1つまたは複数のアーム
によって支持されている他の実施例においては、レーザ
・ビームはチップの領域のアームに合焦される。カンチ
レバの背面に合焦するとは、カンチレバ・ビーム自体の
背面への合焦、またはチップの領域にあるアームへの合
焦の両方を含むものと理解すべきである。反射されたビ
ームの偏向角度は、バイセルによって検出される。輝度
の変動のコモン・モード除去は、入来ビームに関して、
バイセルを対称的に配置することによって達成される。
本発明において、配置は以下で説明するように、慣性ム
ーバによって遠隔で達成される。超高真空雰囲気におけ
るバイセルの遠隔配置が必須である。あるいは、バイセ
ルにおける中心位置からの偏差が、レーザ・ビームの直
径に比較して小さい場合には、コモン・モード除去を、
たとえば、可変抵抗をバイセルの各セグメントに直列に
取り付け、抵抗両端における電圧降下を等化し、バイセ
ルの面における反射レーザ・ビームの中心合わせを電子
的に等しくすることによって、電子的に達成できる。バ
イセルの出力はデータを処理するためにコンピュータに
与えられ、調査対象の表面のイメージに原子分解能を与
える。
According to the present invention, a piezoelectric tube is used to scan the surface and a micromachined cantilever beam is used to support the chip. Fine machining cantilever
The direction of the beam is detected by reflecting the laser beam on the back surface of the cantilever beam and detecting the reflected laser beam by a position sensitive detector, preferably a bicell. The laser beam source is preferably, but not necessarily, a single mode diode laser operating in the visible range. The laser output is coupled into a single mode optical fiber and the output of the optical fiber is focused on the back surface of the cantilever beam. In another embodiment, where the tip is supported by one or more arms extending from the end of the cantilever, the laser beam is focused on the arms in the area of the tip. Focusing on the back of the cantilever should be understood to include both focusing on the back of the cantilever beam itself, or on the arm in the area of the tip. The deflection angle of the reflected beam is detected by the bicelles. Common mode rejection of brightness variations is
This is achieved by arranging the bicells symmetrically.
In the present invention, placement is accomplished remotely by an inertia mover, as described below. Remote placement of bicells in an ultra high vacuum atmosphere is essential. Or, if the deviation from the center position in the bicell is small compared to the diameter of the laser beam, the common mode rejection is
For example, it can be achieved electronically by mounting a variable resistor in series with each segment of the bicell, equalizing the voltage drop across the resistor, and electronically centering the reflected laser beam at the face of the bicell. The output of the bicell is provided to a computer for processing the data and provides atomic resolution to the image of the surface under study.

【0010】本発明はカンチレバ・ビームの変位ではな
く、その方向を測定することに依存するものである。位
置の変化はカンチレバの長さに逆比例する角度変化に変
換される。従来技術の原子間力顕微鏡においては、カン
チレバ・ビームの長さは1mm程度であった。本発明で
用いられる微細加工カンチレバ・ビームは長さが100
ミクロン程度であり、これによって表面の原子分解能を
調査することが可能となる。真空を必要としない雰囲気
で本発明を実施する場合、構成を簡素化することが可能
である。たとえば、光ファイバを省略し、設計をよりコ
ンパクトにすることができる。また、慣性ムーバも必要
なくなるが、これは顕微鏡の構成要素に手が届くからで
ある。
The present invention relies on measuring the direction of the cantilever beam, not its displacement. The change in position translates into an angle change that is inversely proportional to the length of the cantilever. In the prior art atomic force microscope, the length of the cantilever beam was about 1 mm. The micromachined cantilever beam used in the present invention has a length of 100.
It is of the order of microns, which makes it possible to investigate the atomic resolution of the surface. When the present invention is carried out in an atmosphere that does not require a vacuum, the structure can be simplified. For example, the optical fiber can be omitted and the design can be made more compact. It also eliminates the need for inertia movers because the components of the microscope are accessible.

【0011】可視ダイオード・レーザの出力は縦横比が
5ないし7対1の範囲にある楕円形ビームであることが
好ましい。このような楕円形は、光学的修正を必要とす
るので、一般に好ましくないと考えられているが、本発
明を実施する際に、非対称的なビーム形状を使用するの
が有利である。なぜなら、楕円形のレーザ・ビームを矩
形のカンチレバ・ビームに適宜合焦することによって、
レーザ・ビームの振れの測定感度を上げ、整合手順を簡
素化することができる。楕円形ビームの付加的な利点
は、バイセルの飽和限度を超えることなく、高出力のレ
ーザを使用し、これによって高い測定感度を達成できる
ところにある。また、カンチレバ・ビームとバイセルの
間の距離を減らし、それ故、原子間力顕微鏡をさらにコ
ンパクトにすることもできる。光ファイバの光出力のよ
うに、ビームが本質的に楕円形でない場合には、シリン
ダ状レンズを使用して、有利な楕円形の形状を達成する
ことができる。
The output of the visible diode laser is preferably an elliptical beam with an aspect ratio in the range 5 to 7: 1. Such ellipses are generally considered unfavorable because they require optical modification, but it is advantageous to use an asymmetric beam shape when practicing the present invention. Because, by focusing the elliptical laser beam on the rectangular cantilever beam appropriately,
The sensitivity of laser beam deflection measurement can be increased and the alignment procedure can be simplified. An additional advantage of an elliptical beam is that a high power laser can be used, thereby achieving high measurement sensitivity, without exceeding the saturation limit of the bicell. It can also reduce the distance between the cantilever beam and the bicell, thus making the atomic force microscope more compact. If the beam is not essentially elliptical, such as the optical output of an optical fiber, then a cylindrical lens can be used to achieve an advantageous elliptical shape.

【0012】[0012]

【実施例】原子間力顕微鏡は、たとえば、米国特許第4
724318号明細書に記載されているように、当分野
において周知である。なお、この特許は参照することに
よって本明細書の一部となる。該米国特許はトンネル電
流を監視することによってチップと表面の間の距離を測
定する方法を記載しているが、本発明は以下で説明する
ように、光学的ビーム偏向によってチップの方向を測定
する。本発明は遠隔で配置可能な位置感知デテクタが設
けられているため、真空または超高真空などのアクセス
不能な環境での作動にもっとも有利である。
EXAMPLES Atomic force microscopes are described, for example, in US Pat.
It is well known in the art, as described in 724318. This patent is incorporated herein by reference. While that patent describes a method of measuring the distance between a tip and a surface by monitoring tunneling current, the present invention measures the orientation of the tip by optical beam deflection, as described below. . The present invention is most advantageous for operation in inaccessible environments such as vacuum or ultra-high vacuum because it provides a remotely positionable position sensitive detector.

【0013】図面、特に図1には、カンチレバ・ビーム
偏向検出手法の略図が示されている。スタイラス−カン
チレバ系は一対の支持アーム14の端部に配置された、
長さが1ないし10ミクロンの範囲、好ましくは5マイ
クロメートルのチップ12を有する、たとえば、シリコ
ンまたはチッ化シリコン製のカンチレバ・ビーム10を
含んでいる。あるいは、チップ12をカンチレバ・ビー
ム10の端部から延びている単一の支持アームの端部に
配置することもできる。レーザ18はレンズ20を通し
てレーザ・ビームを伝え、レーザ・ビームはこのレンズ
でチップの領域のアーム14の背面に直接合焦される。
チップがカンチレバ・ビームから直接延びている他の実
施例(図示せず)においては、レーザ・ビームはカンチ
レバ・ビームの背面、または反射特性を向上させるため
にカンチレバ・ビームに取り付けられた反射器16に合
焦される。本明細書で使用する場合、「カンチレバ・ビ
ームの背面に」という語は、カンチレバ・ビーム自体の
背面、カンチレバ・ビームの背面に結合された反射器の
背面、チップの領域の1つまたは複数のチップ支持アー
ムに伝えられたレーザ・ビームを意味するものと解釈さ
れる。レーザ・ビームは位置感知デテクタ22へ反射さ
れる。デテクタ22の出力は汎用コンピュータの入力の
1つとして与えられる。チップがワークピース表面を走
査した場合のチップのx軸及びy軸位置も、当分野で周
知のように、コンピュータに対する入力として与えられ
る。コンピュータは次いで、周知の態様でデータを処理
し、表面の形状の画像を原子分解能でもたらす。画像は
画面に、またはストリップ・チャートで表示することが
でき、表の形式にすることができ、あるいはビジュアル
な形式にすることができる。
In the drawings, and in particular in FIG. 1, a schematic diagram of a cantilever beam deflection detection technique is shown. The stylus-cantilever system is located at the ends of a pair of support arms 14,
It includes a cantilever beam 10, for example made of silicon or silicon nitride, having a tip 12 in the range of 1 to 10 microns in length, preferably 5 micrometers. Alternatively, the tip 12 can be placed at the end of a single support arm extending from the end of the cantilever beam 10. The laser 18 transmits the laser beam through a lens 20, which is focused directly on the back surface of the arm 14 in the area of the chip.
In another embodiment (not shown) in which the tip extends directly from the cantilever beam, the laser beam is the back surface of the cantilever beam, or a reflector 16 attached to the cantilever beam to enhance the reflective properties. Is focused on. As used herein, the term "at the back of the cantilever beam" refers to the back of the cantilever beam itself, the back of a reflector coupled to the back of the cantilever beam, one or more of the areas of a chip. Interpreted as meaning the laser beam transmitted to the tip support arm. The laser beam is reflected to the position sensitive detector 22. The output of detector 22 is provided as one of the inputs of a general purpose computer. The x-axis and y-axis positions of the tip as it scans the surface of the workpiece are also provided as inputs to the computer, as is well known in the art. The computer then processes the data in a well-known manner to provide an image of the shape of the surface at atomic resolution. The images can be displayed on the screen or in a strip chart, can be in tabular form, or can be in visual form.

【0014】好ましい実施例において、レーザ・ビーム
18はコンパクトな単一モード・ダイオード・レーザ
で、整合を容易とするため、可視光スペクトル、好まし
くは670nmで作動するものである。しかしながら、
赤外線または紫外線領域で作動するレーザも同様な作動
を行う。好ましい位置検知デテクタはシリコン・バイセ
ルである。
In the preferred embodiment, the laser beam 18 is a compact single mode diode laser which operates in the visible light spectrum, preferably 670 nm, for ease of matching. However,
Lasers operating in the infrared or ultraviolet range perform similar operations. The preferred position sensitive detector is a silicon bicell.

【0015】一般に、原子間力顕微鏡は検査対象の表面
24に対して前後するチップの運動を検知する。チップ
の運動はチップとワークピースwの表面の間の相互作用
力に比例する。しかしながら、本発明によれば、チップ
を支持するカンチレバ・ビームの向きが測定される。測
定は用途に応じて、真空または超高真空中で、あるいは
水性雰囲気中で、または空気中で行われる。各雰囲気に
対する一般的な原子間力顕微鏡の構成は、当分野の技術
者にとって周知のものである。
Generally, an atomic force microscope senses the motion of the tip back and forth with respect to the surface 24 to be examined. The motion of the tip is proportional to the interaction force between the tip and the surface of the workpiece w. However, according to the present invention, the orientation of the cantilever beam supporting the tip is measured. The measurements are performed in vacuum or ultra-high vacuum, in an aqueous atmosphere or in air, depending on the application. Typical atomic force microscope configurations for each atmosphere are well known to those skilled in the art.

【0016】図2は超高真空雰囲気中で測定を行う場合
にもっとも有用な周知の原子間力顕微鏡の改変形を示
す。しかしながら、顕微鏡は改変を行っても、水中で、
また非真空雰囲気でも同様に作動する。
FIG. 2 shows a modification of the well-known atomic force microscope which is most useful when the measurement is carried out in an ultrahigh vacuum atmosphere. However, even if the microscope is modified, in water,
It also operates in a non-vacuum atmosphere.

【0017】図2に示すように、レーザ18からのレー
ザ・ビームは単一モードの光ファイバ26に結合され、
その出力はレンズ28によって、カンチレバ・ビーム背
面には位置された反射器30に合焦される。レーザ・ビ
ームは反射器によって、位置感知デテクタへ反射され
る。参照のため、チップを含むカンチレバ・ビームの側
面を、カンチレバ・ビームの前面と呼び、反射器を含む
カンチレバ・ビームの反対側には位置された側面を背面
と呼ぶ。
As shown in FIG. 2, the laser beam from laser 18 is coupled into a single mode optical fiber 26,
The output is focused by lens 28 onto a reflector 30 located behind the cantilever beam. The laser beam is reflected by the reflector to the position sensitive detector. For reference, the side of the cantilever beam containing the tip is referred to as the front side of the cantilever beam, and the side opposite the cantilever beam containing the reflector is referred to as the back side.

【0018】圧電チューブ32をスキャナとして使用す
る。微細加工されているカンチレバ・ビームは100な
いし200ミクロン、好ましくは100ミクロンの長さ
を有しており、5ないし30ミクロン、好ましくは20
ミクロンの幅を有している。長さ及び幅の寸法はカンチ
レバ・ビームを構成する材料によって決定され、かつ
0.01ないし100ニュートン/メートル、好ましく
は0.1N/mの力の定数を有するスタイラス−カンチ
レバ系のソフト・レバー構成を達成するように選択され
る。カンチレバ・ビームはチューブ・スキャナ32に結
合される。小さな寸法の微細加工カンチレバ・ビームを
使用することによって、通常長さが1ミリメートルであ
り、分解能の点で限定されている従来用いられていたカ
ンチレバ・ビームと対照的な、原子分解能での結像が可
能となる。上述の構成は、高い走査速度を確実なものと
し、調査対象の表面の大きさにほとんど何の制限ももた
らさない。最大走査速度は通常100kHzであるカン
チレバ・ビームの共振周波数によって、また通常10k
Hzであるチューブ・スキャナの共振周波数によって決
定される。
The piezoelectric tube 32 is used as a scanner. The micromachined cantilever beam has a length of 100 to 200 microns, preferably 100 microns and is 5 to 30 microns, preferably 20.
It has a micron width. The length and width dimensions are determined by the material of which the cantilever beam is made and have a stylus-cantileva system soft lever construction having a force constant of 0.01 to 100 Newtons / meter, preferably 0.1 N / m. Selected to achieve. The cantilever beam is coupled to the tube scanner 32. By using a microfabricated cantilever beam of small dimensions, imaging at atomic resolution, as opposed to the conventionally used cantilever beam, which is typically 1 millimeter long and limited in resolution. Is possible. The arrangement described above ensures a high scanning speed and gives almost no limitation on the size of the surface under investigation. The maximum scanning speed is typically 100 kHz due to the resonant frequency of the cantilever beam, and typically 10 kHz
It is determined by the resonant frequency of the tube scanner which is Hz.

【0019】好ましい位置感知デテクタはバイセルであ
り、好ましくは、レーザ・ビームの振れの角度を検出す
るためのシリコン・バイセルである。図3に示すよう
に、慣性ムーバはカンチレバ・ビームによって偏向され
たレーザ・ビームに関して、バイセルを対照的に遠隔配
置することによって、バイセルに当たる光の強度の変動
の除去を確実に行う。
The preferred position sensitive detector is a bicell, preferably a silicon bicell for detecting the angle of deflection of the laser beam. As shown in FIG. 3, the inertial mover ensures the removal of fluctuations in the intensity of the light striking the bicell by distantly locating the bicell with respect to the laser beam deflected by the cantilever beam.

【0020】慣性ムーバは圧電バー36を含んでいる
が、このバーの長さは当分野で周知のように、バーに対
して鋸歯形波形電圧信号を印加することによって変化す
る。サファイア・プレート38上には、圧電バー36の
一端の近傍にバイセル40が配置されている。図示の位
置において、バイセルは当分野で周知のように、導線
(図示せず)によって圧電バー36に印加される適切な
鋸歯形波形電圧信号に応じて、容易に摺動可能である。
サファイア・プレート38及びこれに結合されたバイセ
ル40は、鋸歯形波形電圧信号がバーに印加されると移
動する。このようにして、バイセル40の位置を100
オングストローム程度の細かいステップで遠隔制御する
ことができる。慣性ムーバはコンパクトで、完全にコン
ピュータによって制御できるものであり、これは超高真
空雰囲気において使用する場合に特に有利なものであ
る。
The inertia mover includes a piezoelectric bar 36 whose length is varied by applying a sawtooth waveform voltage signal to the bar, as is well known in the art. A bicell 40 is disposed on the sapphire plate 38 near one end of the piezoelectric bar 36. In the position shown, the bicell is readily slidable in response to a suitable sawtooth waveform voltage signal applied to the piezoelectric bar 36 by a conductor (not shown), as is well known in the art.
The sapphire plate 38 and its associated bicell 40 move when a sawtooth voltage signal is applied to the bar. In this way, the position of the bicell 40 is set to 100.
It can be remotely controlled in steps as small as Angstrom. The inertia mover is compact and completely computer controllable, which is particularly advantageous when used in an ultra high vacuum atmosphere.

【0021】図2及び図3で説明したタイプのスキャナ
及びデテクタ、すなわちミクロン・サイズの微細加工カ
ンチレバ・ビーム及びレーザ・ビームの振れを使用する
ことによって、その変位ではなく、カンチレバ・ビーム
の向きを測定する原子間力顕微鏡装置がもたらされる。
すなわち、カンチレバ・ビームの位置の変化が角度変化
に変換され、この変化はカンチレバ・ビームの長さに逆
比例しており、それ故、小さな寸法を完全に利用可能と
なる。この原子間力顕微鏡の設計の他の利点は、必要な
すべての整合及び調節が10ミクロンを超えていること
で、これは簡単で標準的な機械的工具で達成できる範囲
である。
The use of scanners and detectors of the type described in FIGS. 2 and 3, ie, micron-sized micromachined cantilever and laser beam deflections, to orient the cantilever beam rather than its displacement. An atomic force microscope device for measuring is provided.
That is, a change in the position of the cantilever beam is translated into an angular change, which change is inversely proportional to the length of the cantilever beam, thus making small dimensions fully available. Another advantage of this atomic force microscope design is that all necessary alignments and adjustments exceed 10 microns, which is a range that can be achieved with simple and standard mechanical tools.

【0022】用途によっては、真空雰囲気などのアクセ
ス不能な雰囲気での操作が必要でも、望ましくもないこ
とがあり、上述の設計を単純化することができる。原子
間力顕微鏡の構成要素には、液体中でも、気体中でもア
クセス可能であるから、光ファイバ26を省いて、設計
をさらにコンパクトとすることができる。非真空雰囲気
中で操作する場合、慣性ムーバを省略することができ
る。慣性ムーバの主たる機能は、真空室内にバイセルを
遠隔配置できるようにすることである。たとえば、原位
置でのチップ交換を原子間力顕微鏡に組み込むことがで
きるが、この機能は光路の大幅な整合のずれをもたら
し、バイセルの再配置を必要とするものである。
Depending on the application, it may or may not be necessary to operate in an inaccessible atmosphere, such as a vacuum atmosphere, which simplifies the above design. Since the components of the atomic force microscope can be accessed in liquid or gas, the optical fiber 26 can be omitted, and the design can be made more compact. When operating in a non-vacuum atmosphere, the inertia mover can be omitted. The main function of the inertia mover is to allow remote placement of the bicell in the vacuum chamber. For example, in-situ tip exchange can be incorporated into an atomic force microscope, but this feature results in a large misalignment of the optical path, requiring bicell relocation.

【0023】可視ダイオード・レーザの出力は約5ない
し7:1の範囲の縦横比を有する楕円形ビームである。
従来技術において、楕円形は適切な光学系によって省か
れた。これとは対照的に、非対称的なビーム形状が本発
明の他の好ましい実施例の重要な態様である。
The output of the visible diode laser is an elliptical beam having an aspect ratio in the range of about 5 to 7: 1.
In the prior art, ellipses have been omitted by suitable optics. In contrast, asymmetric beam shape is an important aspect of other preferred embodiments of the present invention.

【0024】図4に示すように、楕円形のレーザ・ビー
ムのスポット42をカンチレバ・ビーム44に合焦し、
楕円の長軸がカンチレバ・ビームの長手方向軸とほぼ平
行になるようにすることによって、楕円形ビーム・スポ
ットが同じ縦横比にしたがってカンチレバ・ビームによ
って反射され、結果として生じる反射スポットのサイズ
はカンチレバ・ビームの長手方向軸に直角な方向で約6
倍小さくなる。結果として、ビーム偏向構成の感度を高
める可能性を付加し、かつ単純化された整合手順を提供
する形状がもたらされる。さらに、バイセル40で受光
される反射レーザ・ビーム46のサイズは、図5に示す
ように、偏向方向に直角な方向で5ないし7倍大きくな
り、これによってバイセルの飽和限度を超えることな
く、高いレーザ電力を使用することが可能となり、した
がって、高い測定感度を達成することが可能となる。あ
るいはまた、カンチレバ・ビームとバイセルの間の距離
を減らすことができ、それ故よりコンパクトな顕微鏡を
もたらすことができる。
As shown in FIG. 4, an elliptical laser beam spot 42 is focused on a cantilever beam 44,
By making the major axis of the ellipse approximately parallel to the longitudinal axis of the cantilever beam, the elliptical beam spot is reflected by the cantilever beam according to the same aspect ratio and the resulting reflected spot size is the cantilever beam.・ Approximately 6 in the direction perpendicular to the longitudinal axis of the beam
It will be twice as small. The result is a geometry that adds the possibility of increasing the sensitivity of the beam deflection arrangement and provides a simplified alignment procedure. Furthermore, the size of the reflected laser beam 46 received by the bicell 40 is 5 to 7 times larger in the direction perpendicular to the deflection direction, as shown in FIG. 5, which is high without exceeding the bicell saturation limit. It is possible to use laser power and thus achieve high measurement sensitivity. Alternatively, the distance between the cantilever beam and the bicell can be reduced, thus leading to a more compact microscope.

【0025】[0025]

【発明の効果】本発明によれば、原子間力顕微鏡は真空
雰囲気、空気雰囲気、または液体雰囲気中で作動して、
大表面積の走査を行い、操作を改善するためにコモン・
モード除去を提供することができる。また、楕円形の光
学ビームを利用することで、測定感度の向上、整合手順
の簡素化が図られた。これは、位置感知デテクタである
バイセルに当たる楕円形の光ビーム・スポットを、カン
チレバの偏向に伴うスポットの移動方向が長径を横切る
方向であるようにすることで、カンチレバの極微小な動
きも敏感に感知でき、高出力のレーザを使用することが
できるので、より高い測定感度が得られる作用効果によ
るものである。同時に、カンチレバに当たる光ビーム
を、カンチレバの長手方向と光ビームの長径とが平行で
あるようにすることで、反射光によるカンチレバの偏向
方向についての情報がより多くなり、かつ、光スポット
が楕円形であることで、各要素を整合させるのが単純化
され、容易になる作用効果が得られたものである。
According to the present invention, the atomic force microscope operates in a vacuum atmosphere, an air atmosphere, or a liquid atmosphere,
Common areas to perform large surface area scans and improve operation.
Mode removal can be provided. Moreover, by using the elliptical optical beam, the measurement sensitivity was improved and the alignment procedure was simplified. This is because the elliptical light beam spot that hits the bicell, which is a position-sensitive detector, is made so that the movement direction of the spot due to the deflection of the cantilever crosses the major axis, so that even minute movements of the cantilever are sensitive. This is due to the effect that higher measurement sensitivity can be obtained since a laser with high sensitivity can be used. At the same time, by making the light beam striking the cantilever parallel to the longitudinal direction of the cantilever and the major axis of the light beam, more information about the deflection direction of the cantilever due to the reflected light is obtained, and the light spot is elliptical. By so doing, it is possible to simplify the operation of matching the respective elements and to obtain the effect of facilitating the matching.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】原子間力顕微鏡の一部の略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a portion of an atomic force microscope.

【図2】本発明を構成する原子間力顕微鏡の一部の略図
である。
FIG. 2 is a schematic view of a portion of the atomic force microscope that constitutes the present invention.

【図3】本発明を実施する際に利用できる好ましい位置
感知デテクタの略図である。
FIG. 3 is a schematic diagram of a preferred position sensitive detector that may be utilized in practicing the present invention.

【図4】原子間力顕微鏡の一部を形成する微細加工カン
チレバ・ビームに合焦された楕円形レーザ・ビーム・ス
ポットの図である。
FIG. 4 is a diagram of an elliptical laser beam spot focused on a micromachined cantilever beam forming part of an atomic force microscope.

【図5】位置感知デテクタで受光された楕円形レーザ・
ビーム・スポットの図である。
FIG. 5: Elliptical laser received by a position sensitive detector
It is a figure of a beam spot.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 カンチレバ・アーム 12 チップ 14 支持アーム 18 レーザ 20 レンズ 22 位置感知デテクタ 26 光ファイバ 28 レンズ 30 反射器 32 圧電チューブ 36 圧電バー 38 サファイア・プレート 40 バイセル 10 Cantilever Arm 12 Chip 14 Support Arm 18 Laser 20 Lens 22 Position Sensitive Detector 26 Optical Fiber 28 Lens 30 Reflector 32 Piezoelectric Tube 36 Piezoelectric Bar 38 Sapphire Plate 40 Bicell

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゲルハルト・メイヤー アメリカ合衆国10598、ニューヨーク州 ヨークタウン・ハイツ、ファーサンド・ コート 2666番地 (56)参考文献 特開 昭59−43302(JP,A) 特開 昭61−133843(JP,A) 特開 昭62−156515(JP,A) 米国特許4935634(US,A) 米国特許4724318(US,A) APPLIED PHYSICS L ETTERS.VOL.55,NO.25, 18 DECEMBER 1989 P.2588 −2590 APPLIED PHYSICS L ETTERS.VOL.55,NO.24, 11 DECEMBER 1989 P.2491 −2493 REVIEW OF SCIENTI FIC INSTRUMENTS.VO L.59,NO.11,1 NOVEMBE R 1988 P.2337−2340 JOURNAL OF APPLIE D PHYSICS.VOL.61,N O.10,15 MAY 1987 P.4723− 4729 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Gerhard Mayer 2666, Farsands Court, Yorktown Heights, NY 10598, NY (56) References JP-A-59-43302 (JP, A) JP-A-SHO 61-133843 (JP, A) JP-A-62-156515 (JP, A) US Patent 4935634 (US, A) US Patent 4724318 (US, A) APPLIED PHYSICS L ETTERS. VOL. 55, NO. 25, 18 DECEMBER 1989 P.I. 2588-2590 APPLIED PHYSICS L ETTERS. VOL. 55, NO. 24, 11 DECEMBER 1989 P.I. 2491 -2493 REVIEW OF SCIENTI FIC INSTRUMENTS. VOL. 59, NO. 11, 1 NOVEMBE R 1988 P.I. 2337-2340 JOURRNAL OF APPLIED D PHYSICS. VOL. 61, NO. 10, 15 MAY 1987 P.I. 4723-4729

Claims (16)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】偏向可能なカンチレバに固定されたチップ
を、ワークピースの表面に十分に近づけて置き、該チッ
プと該ワークピースとの間に生じる力に応じて偏向させ
るステップと、 光ビームを上記カンチレバに当てるステップと、 上記カンチレバから反射された光ビームを位置感知デテ
クタで検出して、該反射ビームを上記力に対応する上記
カンチレバの偏向を示す出力信号に変換するステップと
を含み、上記位置感知デテクタに当たった上記光ビーム
は楕円形のスポットであることを特徴とする、上記ワー
クピースの表面を検査する方法。
1. A tip, fixed to a deflectable cantilever, is placed sufficiently close to the surface of a workpiece to deflect it in response to a force generated between the tip and the workpiece. Applying the cantilever, detecting a light beam reflected from the cantilever with a position sensitive detector, and converting the reflected beam into an output signal indicating the deflection of the cantilever corresponding to the force, A method for inspecting the surface of a workpiece, characterized in that the light beam impinging on a position sensitive detector is an elliptical spot.
【請求項2】上記光ビームを、光ファイバを通して上記
カンチレバに当てることを特徴とする請求項1記載の方
法。
2. The method of claim 1, wherein the light beam is directed to the cantilever through an optical fiber.
【請求項3】上記光ビームは、レーザ・ビームであるこ
とを特徴とする請求項1記載の方法。
3. The method of claim 1, wherein the light beam is a laser beam.
【請求項4】上記光ビームは、上記カンチレバに当たっ
た時、楕円形であることを特徴とする、請求項1記載の
方法。
4. The method of claim 1, wherein the light beam is elliptical when striking the cantilever.
【請求項5】上記カンチレバに当たった上記楕円形の光
ビームのスポットは、上記カンチレバの長手方向に沿っ
た方向に長径があることを特徴とする請求項4記載の方
法。
5. The method according to claim 4, wherein the spot of the elliptical light beam striking the cantilever has a major axis in a direction along the longitudinal direction of the cantilever.
【請求項6】上記カンチレバが上記力によって偏向する
時、デテクタに当たっている上記光ビームのスポット
は、該光ビームの長径を横切る方向に移動することを特
徴とする請求項1記載の方法。
6. The method of claim 1, wherein the spot of the light beam striking the detector moves transversely to the major axis of the light beam when the cantilever is deflected by the force.
【請求項7】上記デテクタに当たっている上記楕円形の
光ビームのスポットは、少なくとも約5:1の縦横比を
持っていることを特徴とする請求項1記載の方法。
7. The method of claim 1, wherein the spot of the elliptical light beam striking the detector has an aspect ratio of at least about 5: 1.
【請求項8】カンチレバに固定されたチップであって、
該チップとワークピースとの間に生じる力に応じて該カ
ンチレバが偏向するのに十分近い距離でもって、該ワー
クピースの表面に近接して置かれたチップと、 上記カンチレバに当てる光ビームを発生する光ビーム源
と、 上記カンチレバから反射された上記光ビームを受けて、
該反射ビームを上記力に対応する上記カンチレバの偏向
を示す出力信号に変換する位置検知手段とを含み、上記
光ビームは、上記位置検知手段に当たった時、楕円形で
あることを特徴とする、原子間力顕微鏡。
8. A chip fixed to a cantilever, comprising:
Generating a light beam that impinges on a tip and a tip that is placed in close proximity to the surface of the workpiece and at a distance close enough to cause the cantilever to deflect in response to the forces generated between the tip and the workpiece. Receiving the light beam reflected from the cantilever and the light beam source
Position detecting means for converting the reflected beam into an output signal indicating deflection of the cantilever corresponding to the force, wherein the light beam is elliptical when hitting the position detecting means. , Atomic force microscope.
【請求項9】上記チップと上記ワークピースの表面との
間の相対走査運動をさせるための手段をさらに含む、請
求項8記載の原子間力顕微鏡。
9. The atomic force microscope of claim 8 further including means for providing relative scanning movement between the tip and the surface of the workpiece.
【請求項10】上記検知手段と結合して、上記ワークピ
ースの表面の形状画像を発生させる、コンピュータ手段
をさらに含む、請求項9記載の原子間力顕微鏡。
10. The atomic force microscope of claim 9, further comprising computer means coupled with said sensing means to generate a topographic image of the surface of said workpiece.
【請求項11】上記光ビーム源からの上記光ビームを上
記カンチレバに当てるための光ファイバをさらに含む、
請求項8記載の原子間力顕微鏡。
11. An optical fiber for striking the cantilever with the light beam from the light beam source,
The atomic force microscope according to claim 8.
【請求項12】上記光ビーム源は、レーザであることを
特徴とする請求項8記載の原子間力顕微鏡。
12. The atomic force microscope according to claim 8, wherein the light beam source is a laser.
【請求項13】上記光ビ−ムは、上記カンチレバに当た
った時、楕円形であることを特徴とする、請求項8記載
の原子間力顕微鏡。
13. The atomic force microscope according to claim 8, wherein the optical beam is elliptical when hitting the cantilever.
【請求項14】上記カンチレバに当たった上記楕円形の
光ビームのスポットは、上記カンチレバの長手方向に沿
った方向に長径があることを特徴とする請求項13記載
の原子間力顕微鏡。
14. The atomic force microscope according to claim 13, wherein the spot of the elliptical light beam striking the cantilever has a major axis in a direction along the longitudinal direction of the cantilever.
【請求項15】上記楕円形の光ビームは、上記力が上記
カンチレバを偏向させると、該楕円形の長径を横切る方
向に移動することを特徴とする、請求項8記載の原子間
力顕微鏡。
15. The atomic force microscope according to claim 8, wherein the elliptical light beam moves in a direction traversing the major axis of the ellipse when the force deflects the cantilever.
【請求項16】上記検知手段に当たっている上記楕円形
の光ビームのスポットは、少なくとも約5:1の縦横比
を持っていることを特徴とする、請求項8記載の方法。
16. The method of claim 8 wherein the spot of the elliptical light beam striking the sensing means has an aspect ratio of at least about 5: 1.
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